DE112019006230T5

DE112019006230T5 - Weichmagnetischer werkstoff und verfahren zur herstellung desselben, undweichmagnetischen werkstoff enthaltender elektromotor

Info

Publication number: DE112019006230T5
Application number: DE112019006230.1T
Authority: DE
Inventors: Matahiro Komuro; Yuichi Satsu; Hisamitsu Hatou; Seunghwan Park
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-09-02
Also published as: WO2020166115A1; JP7365773B2; CN113396235B; CN113396235A; JP2020132894A; US20220042157A1

Abstract

Weichmagnetischer Werkstoff, der blechförmig oder folienförmig ist und eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, wobei der weichmagnetische Werkstoff Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff enthält, und einen kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Martensit und γ-Fe enthält, wobei das γ-Fe eine darin gebildete stickstoffhaltige Phase enthält. Der weichmagnetische Werkstoff wird hergestellt durch die Schritte des Erwärmens eines eisenbasierten Werkstoffes, der blechförmig oder folienförmig ist, des Carburierens des eisenbasierten Werkstoffes mit einem Carburiergas, des Dispergierens eines körnigen Carbids in α-Fe in dem eisenbasierten Werkstoff bei einer Temperatur, die gleich wie oder niedriger als eine eutektoide Temperatur ist, des Umwandelns des α-Fe in γ-Fe bei einer Temperatur, die höher ist als die eutektoide Temperatur, des Diffundierens von Stickstoff in das γ-Fe unter Verwendung eines Stickstoffzufuhrgases, um γ-Fe-N-C zu bilden, und des schnellen Erwärmens und anschließenden schnellen Abkühlens des γ-Fe-N-C, um den γ-Fe-N-C in einen Martensit umzuwandeln. Somit ist es möglich, zu geringen Kosten einen thermisch stabilen weichmagnetischen Werkstoff herzustellen, der eine magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, die höher ist als diejenige von reinem Eisen, und die Kenngrößen eines magnetischen Kreises eines Elektromotors oder dergleichen unter Verwendung des weichmagnetischen Werkstoffes zu verbessern, um Miniaturisierung und eine Erhöhung des Drehmoments des Elektromotors oder dergleichen zu erreichen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Werkstoff und ein Verfahren zur Herstellung desselben, und einen den weichmagnetischen Werkstoff enthaltenden Elektromotor.
Stand der Technik
Unter den Massenlegierungen ist eine Fe-Co-Legierung ein Werkstoff mit der höchsten magnetischen Sättigungsflussdichte. Bedauerlicherweise ist das als Legierungselement verwendete Co teuer, und ein zu Co alternatives Element ist daher erwünscht.
Ein Beispiel eines Werkstoffes, der, in der Form eines dünnen Films, eine mit derjenigen einer Fe-Co-Legierung gleichwertige magnetische Sättigungsflussdichte (im Folgenden abgekürzt als Bs) zeigt, ist ein Fe-basierter Martensit. Es ist bekannt, dass unter den Fe-basierten Martensiten ein dünner Film oder eine Folie aus einem Martensit, der Fe₁₆N₂ als einen Hauptbestandteil enthält, eine Bs aufweist, die 2,4 T übersteigt.
PTL 1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines geordneten martensitischen Eisennitrid-Pulvers, wobei das Verfahren enthält: in Kontakt Bringen eines Eisenlegierungspulvers, das Gleichförmigkeit aufweist, mit einer Stickstoffquelle in einem Wirbelschichtreaktor, um ein Nitrid-Eisen-Pulver herzustellen, Umwandeln des Nitrid-Eisen-Pulvers in eine ungeordnete martensitische Phase, und Glühen der ungeordneten martensitischen Phase zu einer geordneten martensitischen Phase.
PTL 2 offenbart einen Gegenstand, enthaltend einen ersten Satz an Schichten, wobei jede Schicht des ersten Satzes an Schichten α''-Fe₁₆N₂ enthält, und einen zweiten Satz an Schichten, wobei jede Schicht des zweiten Satzes an Schichten ein Gemisch aus α''-Fe₁₆N₂ und α''-Fe₁₆Z₂ enthält, wobei Z mindestens eines von C, B oder O enthält.
PTL 3 offenbart ein Verfahren des Mischens eines Eisenoxid-Pulvers mit einem kohlenstoffhaltigen Pulver, um ein gemischtes Pulver zu ergeben, des Erwärmens des gemischten Pulvers in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, um feine Metallpartikel zu ergeben, die mit Graphit überzogen sind und Fe als einen Hauptbestandteil enthalten, und des Erwärmens der feinen Metallpartikel in einer Ammoniak enthaltenden Atmosphäre, um die feinen Metallpartikel zu nitridieren.
PTL 4 offenbart einen Hochsättigungsmagnetisierungs-Fe-N-Magnetwerkstoff, der als eine Hauptphase eine gemischte Phase einer α-Fe-Phase und einer Fe₁₆N₂-Phase aufweist.
Zitierungsliste
Patentliteratur

PTL 1: JP 2015-507354 A
PTL 2: JP 2017-530547 A
PTL 3: JP 2007-046074 A
PTL 4: JP 2001-176715 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die herkömmlichen martensitischen magnetischen Werkstoffe, die Stickstoff und Kohlenstoff enthalten, weisen Probleme bei der thermischen Stabilität und Massenproduzierbarkeit als weichmagnetische Massenwerkstoffe auf, und auch beim Sicherstellen der Stabilität einer hohen magnetischen Sättigungsflussdichte.
Das in PTL 1 beschriebene, geordnete martensitische Eisennitrid ist pulvrig, und daher gibt es insofern Raum für Verbesserungen, als selbst eine durch Komprimieren des geordneten martensitischen Eisennitrids erhaltene Platte eine niedrige magnetische Sättigungsflussdichte pro Volumen aufweist.
PTL2 bis 4 offenbaren keine Erfindung, in der ein Fe-basierter Martensit als wesentlicher Bestandteil dient.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zu niedrigen Kosten einen thermisch stabilen weichmagnetischen Werkstoff herzustellen, der eine magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, die höher ist als diejenige von reinem Eisen, und unter Verwendung des weichmagnetischen Werkstoffes die Kennwerte eines magnetischen Kreises eines Elektromotors oder dergleichen zu verbessern, um Miniaturisierung und eine Erhöhung des Drehmoments des Elektromotors oder dergleichen zu erzielen.
Lösung des Problems
Ein weichmagnetischer Werkstoff der vorliegenden Erfindung ist blechförmig oder folienförmig und weist eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte auf, enthält Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff, und enthält einen Kohlenstoff und Stickstoff enthaltenden Martensit und γ-Fe. Das γ-Fe enthält eine darin gebildete stickstoffhaltige Phase.
Ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Werkstoffes der vorliegenden Erfindung enthält Schritte des Erwärmens eines eisenbasierten Werkstoffes, der blechförmig oder folienförmig ist, des Carburierens des eisenbasierten Werkstoffes mit einem Carburiergas, des Dispergierens eines körnigen Carbids in α-Fe in dem eisenbasierten Werkstoff bei einer Temperatur, die gleich wie oder niedriger als eine eutektoide Temperatur ist, des Umwandelns des α-Fe in γ-Fe bei einer Temperatur, die höher ist als die eutektoide Temperatur, des Diffundierens von Stickstoff in das γ-Fe unter Verwendung eines Stickstoffzufuhrgases, um γ-Fe-N-C zu bilden, und des schnellen Erwärmens und anschließenden schnellen Abkühlens des γ-Fe-N-C, um das γ-Fe-N-C in einen Martensit umzuwandeln.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zu niedrigen Kosten einen thermisch stabilen weichmagnetischen Werkstoff herzustellen, der eine magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, die höher ist als diejenige von reinem Eisen, und unter Verwendung des weichmagnetischen Werkstoffes die Kennwerte eines magnetischen Kreises eines Elektromotors oder dergleichen zu verbessern, um Miniaturisierung und eine Erhöhung des Drehmoments des Elektromotors oder dergleichen zu erzielen.
Figurenliste

[1] 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Werkstoffes der vorliegenden Erfindung zeigt.
[2] 2 ist eine SEM-Abbildung, die eine Querschnittsstruktur eines weichmagnetischen Werkstoffes eines Beispiels zeigt.
[3] 3 ist ein Graph, der eine Konzentrationsverteilung von Kohlenstoff und Stickstoff in einer Dickenrichtung des weichmagnetischen Werkstoffes des Beispiels zeigt.
[4] 4 ist ein schematisches Anordnungsdiagramm, das eine Anlage zur Herstellung eines weichmagnetischen Werkstoffes eines Beispiels zeigt.
[5] 5 ist ein Graph, der die Stickstoffkonzentrationsabhängigkeit der magnetischen Sättigungsflussdichte Bs für weichmagnetische Werkstoffe von Beispielen zeigt.
[6] 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Elektromotor eines Beispiels zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Bei einem Elektromotor, wie einem Motor, wird ein durch Aufeinanderschichten dünner Bleche oder Folien erhaltener weichmagnetischer Werkstoff angewandt. Jede der dünnen Platten oder Folien weist eine Dicke im Bereich von 1 µm oder mehr und 1 mm oder weniger auf, und die dünnen Bleche oder Folien werden so aufeinander geschichtet, dass sie vermarktet werden können.
Wenn ein aus einem eisenbasierten Martensit erzeugter Schichtkörper bei einem Elektromotor angewandt wird, ist es notwendig, dass der Schichtkörper eine magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, die höher ist als diejenige von Eisen, das heißt, höher als 2,1 T, dass der Schichtkörper Weichmagnetismus zeigt, dass der Schichtkörper thermische Stabilität aufweist, und dass der Schichtkörper verarbeitbar ist. Unter den oben genannten Gesichtspunkten werden kostengünstiger Kohlenstoff und Stickstoff als Element-Bestandteile des eisenbasierten Martensits ausgewählt.
Ein Martensit, der durch Anordnen einer Mehrzahl an Einlagerungselementen wie Kohlenstoff und Stickstoff zwischen Eisenatomen gebildet wird, weist eine Bs von 2,1 bis 2,8 T auf, abhängig von der Kontrolle der Zusammensetzung und Phasenstruktur des Martensits. Nicht offengelegt wurden bisher die Kontrolle von Parametern, die Massenproduktion erlauben sowie grundlegende Spezifikationen einer durch die Kontrolle hergestellten Folie. Nicht offengelegt wurden außerdem eine Phasenstruktur, mit der die Bs stabil über 2,1 T liegt, sowie ein Massenproduktionsverfahren, das die Phasenstruktur erzielen kann.
Es wird als wünschenswert betrachtet, Kohlenstoff und Stickstoff unabhängig voneinander zu kontrollieren und zu diffundieren. Es wird auch als wichtig betrachtet, dass der diffundierte Kohlenstoff und Stickstoff innerhalb eines Eisenkristallgitters vorliegen.
Die von einem derartigen martensitischen Werkstoff geforderten Spezifikationen sind wie folgt.

1) Ein Teil des kubisch-flächenzentrierten Kristalls ist eine Phase, die bei 20°C ferromagnetisch ist und Stickstoff oder Kohlenstoff enthält.
2) Die Kohlenstoffkonzentration oder Stickstoffkonzentration wird erkannt, um angepasst zu werden.

Mikrostrukturen, die diesen Spezifikationen entsprechen, sind wie folgt.

1) Um eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte zu erreichen, ist es wünschenswert, dass der martensitische Werkstoff einen kubischen oder tetragonalen Kristall enthält, in dem Kohlenstoff oder Stickstoff in der Tetraeder- oder Oktaeder-Lücke vorhanden sind.
2) Wenn ein Kohlenstoffatom oder Stickstoffatom in einer Oktaeder-Einlagerungs-Lücke eines kubisch-raumzentrierten Kristalls oder einer Oktaeder-Lücke eines kubisch-flächenzentrierten Kristalls angeordnet ist, weist ein Teil der benachbarten Eisenatome ein erhöhtes magnetisches Moment auf.
3) Wenn Stickstoff in einer Oktaeder-Lücke eines kubisch-raumzentrierten Gitters angeordnet ist, wird der Eisen-Spin parallelisiert und die Magnetisierung erhöht.
4) Eine Phase mit höherer Kohlenstoffkonzentration neigt dazu, eine niedrigere Stickstoffkonzentration aufzuweisen. Die periodische Bildung von Kristallen mit einer örtlich hohen Kohlenstoffkonzentration verringert die magnetische Kristall-Anisotropie-Energie. Aufgrund eines derartigen Effekts verringert sich die Koerzitivkraft auf eine Magnetisierungskurve.

Anschließend wird ein Verfahren zur Verwirklichung der oben genannten Spezifikationen beschrieben werden.
Ein eisenbasierter Werkstoff wird auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich der Bildung von Austenit (γ) erwärmt, und Kohlenstoff wird unter Verwendung eines Carburierungsgases wie Acetylen in den eisenbasierten Werkstoff diffundiert. Nachdem die Kohlenstoffkonzentration 0,5 Massenprozent oder mehr erreicht, wird der eisenbasierte Werkstoff abgekühlt, auf eine Temperatur erwärmt, die in einem Bereich liegt, der gleich wie oder niedriger als eine eutektoide Temperatur (Punkt A1) ist, und diesem Zustand gehalten, um ein körniges Carbid in Ferrit (einer α-Fe-Phase) zu dispergieren. Die Struktur, die das in α-Fe dispergierte körnige Carbid enthält, wird als ein Sorbit bezeichnet.
Die Menge an Kohlenstoff, die in der α-Fe-Phase löslich ist, ist klein. Wenn der Sorbit auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als der Punkt A1, wird das α-Fe daher in γ-Fe umgewandelt, bevor das Carbid gelöst wird. Da Stickstoff kaum in ein Carbid, insbesondere Fe₃C, eindringt, diffundiert Stickstoff in γ-Fe, das durch Umwandlung von α-Fe gebildet wird, wenn der Sorbit auf eine Temperatur nahe dem Punkt A1 erwärmt und nitridiert wird. Die Stickstoffkonzentration in der Gasphase wird so eingestellt, dass das γ-Fe eine Stickstoffkonzentration von 0,5 Massenprozent oder mehr aufweisen kann.
Nach dem Abschluss der Stickstoffdiffusionsbehandlung weist das Produkt eine Struktur auf, in welcher Fe₃C (oder M₃C) in einer γ-Fe-N-Matrix dispergiert ist. Die Struktur dieses Zustands wird schnell erwärmt, um das Carbid zur γ-Fe-Phase zu zersetzen, und daraufhin wird die Struktur schnell abgekühlt.
Zudem wird ein spezifisches Beispiel des Verfahrens zur Herstellung des weichmagnetischen Werkstoffes der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung des weichmagnetischen Werkstoffes der vorliegenden Erfindung zeigt.
In einer Argon-Atmosphäre (Ar) wird ein 0,2 mm dicker, kohlenstoffarmer, niedriglegierter Stahl (eisenbasierter Werkstoff) mit einer Heizrate von 10°C/min auf 900°C erwärmt (S110), was in dem Temperaturbereich der Bildung von Austenit (γ) liegt. Hierbei bedeutet der kohlenstoffarme, niedriglegierte Stahl einen Stahl, der einen Kohlenstoffgehalt von 0,25 Massenprozent oder weniger aufweist und insgesamt 5 Massenprozent oder weniger hinzugefügte Legierungselemente enthält.
Dann wird Acetylen (C₂H₂) als Carburierungsgas in die Ar-Atmosphäre eingeleitet, so dass die Kohlenstoffkonzentration 0,5 Massenprozent oder mehr betragen kann (S120: Carburierungsschritt). Zusätzlich zu Acetylen können auch Methan, Propan, Butan oder dergleichen als das Carburierungsgas verwendet werden.
Dann wird, nach Abkühlen auf 200°C unter Verwendung eines Ar-Gases, der kohlenstoffarme, niedriglegierte Stahl auf 700°C erwärmt, was gleich oder niedriger als die eutektoide Temperatur (Punkt A1) ist, und in diesem Zustand gehalten (S130). Die Heizrate beträgt 10°C/min. Bei 700°C wird ein körniges Carbid in Ferrit (einer α-Phase) dispergiert und vergrößert. Der Abstand zwischen den Carbid-Partikeln beträgt 0,1 µm bis 1 µm. Der mittlere Durchmesser (Durchmesser) der Carbid-Partikel beträgt 0,1 µm bis 2 µm. Die Menge an in der α-Fe-Phase löslichem Kohlenstoff beträgt lediglich 0,1 Massenprozent oder weniger.
Der Sorbit wird auf 750°C erwärmt, das heißt, auf eine Temperatur, die höher liegt als der Punkt A1, um α-Fe mit einer niedrigen Kohlenstoffkonzentration in γ-Fe umzuwandeln, bevor das Carbid gelöst wird oder sich zersetzt (S140). Das körnige Carbid ist hauptsächlich Fe₃C und enthält auch M₃C, wie (Fe,Cr)₃C und MC. Stickstoff dringt kaum in ein Carbid wie Fe₃C ein.
Wenn der Sorbit auf 750°C, nahe dem Punkt A1, erwärmt und mit einem Stickstoffzufuhrgas wie Ammoniak (NH₃) nitridiert wird, diffundiert und löst sich Stickstoff in γ-Fe, welches aus der Umwandlung von α-Fe stammt (S150). Die Stickstoffkonzentration in der Gasphase wird so eingestellt, dass das γ-Fe eine Stickstoffkonzentration von 0,5 Massenprozent oder mehr aufweisen kann.
Nach dem Abschluss der Stickstoffdiffusionsbehandlung weist das Produkt eine Struktur auf, in welcher Fe₃C (oder M₃C) in einer γ-Fe-N-Matrix dispergiert ist. Die Struktur dieses Zustands wird durch schnelles Erwärmen mit 100°C/Sekunde auf 950°C erwärmt. Nachdem die Struktur für 1 Sekunde bei 950°C gehalten wurde, wird die Struktur mit flüssigem Stickstoff abgekühlt (S160). Das Carbid zersetzt sich durch das schnelle Erwärmen zur γ-Fe-Phase. Zusätzlich wird γ-Fe-N-C durch Abkühlen mit flüssigem Stickstoff (schnelles Abkühlen) in einen Martensit umgewandelt.
Parameter in dem oben genannten Herstellungsverfahren werden im Folgenden beschrieben werden.
Es ist wünschenswert, dass der eisenbasierte Werkstoff eine Dicke von 0,01 mm oder mehr und 1,00 mm oder weniger aufweist. Wenn die Dicke weniger als 0,01 mm beträgt, nachdem der weichmagnetische Werkstoff auf eine isolierende Schicht geschichtet wurde, weist die isolierende Schicht einen erhöhten Volumenbruchteil auf, und es ist schwierig, die magnetische Sättigungsflussdichte (Bs) des Schichtkörpers auf 2,1 T oder mehr einzustellen.
Es ist wünschenswert, dass die Zusammensetzung des Legierungsstahls eine Kohlenstoffkonzentration von 1,5 Massenprozent oder weniger aufweist. Wenn die Kohlenstoffkonzentration 1,5 Massenprozent übersteigt, neigt das Carbid dazu, eine flockenförmige anstelle einer kornförmigen Gestalt aufzuweisen, und ein Teil des Carbids neigt dazu, selbst nach schnellem Erwärmen und Abkühlen durch Hochfrequenz oder dergleichen zu verbleiben, so dass sich die magnetische Sättigungsflussdichte verringern kann.
Es ist wünschenswert, dass die Carburierungstemperatur 800°C bis 1100°C beträgt. Wenn die Carburierungstemperatur weniger als 800°C beträgt, ist die Diffusion zeitaufwendig. Wenn andererseits die Carburierungstemperatur 1100°C übersteigt, kann das Plattenmaterial (zu behandelnde Material) eine erhöhte Kristallkorngröße aufweisen, und es kann eine ungleiche Verteilung von Kohlenstoff an den Korngrenzen erfolgen. Um das Wachstum von Perlit mit grobkörnigen Carbiden zu verhindern, kann das Abkühlen nach der Carburierung durch Gaskühlung erfolgen, um Bainit oder feinen Perlit zu bilden.
Wenn die Struktur, die hauptsächlich Bainit oder feinen Perlit enthält, auf 700°C erwärmt wird, was gleich wie oder niedriger als die eutektoide Temperatur (Punkt A1) ist, verändert sich die Morphologie des Carbids wesentlich und die Grenzflächenenergie verringert sich, so dass das Carbid kornförmig oder kugelförmig wird.
Es ist nötig, dass die Heiz- und Haltetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der niedriger ist als der Umwandlungspunkt A1. Wenn der eisenbasierte Werkstoff auf eine Temperatur erwärmt wird, die gleich dem oder höher als der Punkt A1 ist, wird das Carbid in kugelförmiger Gestalt dispergiert, und etwas α-Fe wird in die γ-Phase umgewandelt, um Kohlenstoff zu lösen. Da Stickstoff schwer in γ-Fe, in dem Kohlenstoff gelöst ist, sowie in das Carbid diffundiert, ist es schwierig, die Stickstoffkonzentration auf 0,5 Massenprozent oder mehr zu erhöhen. Daher ist es notwendig, die Temperatur in dem Bereich zu halten, der gleich dem oder niedriger als der Punkt A1 ist, um die Sorbit-Struktur zu bilden.
Wenn die Sorbit-Struktur auf 750°C erwärmt wird, wird α-Fe in γ-Fe umgewandelt. Das γ-Fe weist einen niedrigen Kohlenstoffgehalt auf, und Stickstoff gelangt und diffundiert leicht in das γ-Fe. Da die Diffusion von Stickstoff in das Carbid schwer erfolgt, diffundiert Stickstoff in das kohlenstoffarme γ-Fe. Die Diffusion von Stickstoff in das kohlenstoffarme γ-Fe erniedrigt den Punkt A1 um den Stickstoff und fördert die Umwandlung in γ. Je größer der Abstand von den Carbid-Partikeln ist, desto mehr neigt die Stickstoffkonzentration dazu, sich zu erhöhen und neigt die Kohlenstoffkonzentration dazu, sich zu verringern. In diesem Fall wird die Zusammensetzung von Stickstoff und Kohlenstoff moduliert. Die Modulierung der Zusammensetzung ist ausgeprägter, wenn die Behandlungszeit zur Stickstoffeinführung kürzer ist.
Wenn Spurenmetallelemente (wie Cr, V, Mo, Ti, Nb, Zr, W und Mn), welche die Auflösung und Zersetzung des Carbids verzögern, im Carbid vorliegen, ist es möglich, die Behandlungszeit zum Einführen von Stickstoff in das γ-Fe zu verkürzen. Ein typisches kornförmiges Carbid ist Fe₃C, und Fe₃C kann M₃C wie (Fe,Cr)₃C und MC wie VC, TiC, NbC und WC darin beigemischt enthalten (M ist ein Metallelement). Wenn der Sorbit auf 750°C nahe dem Punkt A1 erwärmt wird und mit einem Stickstoffzufuhrgas wie NH₃ nitridiert wird, diffundiert und löst sich Stickstoff in dem γ-Fe, das aus der Umwandlung des α-Fe stammt. Die Stickstoffkonzentration in der Gasphase wird so eingestellt, dass das γ-Fe eine Stickstoffkonzentration von 0,5 Massenprozent oder mehr aufweisen kann. Nach dem Abschluss der Stickstoffdiffusionsbehandlung weist das Produkt eine Struktur auf, in der Fe₃C (oder M₃C) in der γ-Fe-N-Matrix dispergiert ist.
Die Struktur dieses Zustands wird mit einer Rate, die 10°C/Sekunde übersteigt, schnell auf 950°C erwärmt, was im Phasendiagramm in der γ-Einphasen-Region liegt. Die Struktur wird für eine kurze Zeit in der γ-Einphasen-Region gehalten, und dann in flüssigem Stickstoff abgekühlt. Das Carbid zersetzt sich durch das schnelle Erwärmen und Abkühlen zur γ-Fe-Phase. Zusätzlich wird γ-Fe-N-C durch Abkühlen in flüssigem Stickstoff in einen Martensit umgewandelt.
Die Hauptphasen in der erhaltenen Struktur sind krz- (kubisch raumzentrierte) und trz- (tetragonal-raumzentrierte) Martensite, stickstoffhaltiger kfz- (kubisch flächenzentrierter) Austenit und kfz- (kubisch flächenzentriertes) Fe₄N.Kohlenstoff und Stickstoff liegen innerhalb der Martensite vor.
Um die magnetische Sättigungsflussdichte zu erhöhen, ist es wünschenswert, dass der Volumenbruchteil des krz- oder trz-Martensits höher ist als der Volumenbruchteil der ferromagnetischen kfz-Phase. Zudem ist es hinsichtlich der Mehrzahl an Phasen mit kfz-Kristallstruktur wünschenswert, dass die Anzahl ferromagnetischer Phasen größer ist als die Anzahl nicht-magnetischer (oder antiferromagnetischer) Phasen.
Wünschenswerte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden zusammengefasst.
Es ist wünschenswert, dass der weichmagnetische Werkstoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung blechförmig oder folienförmig ist und eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweist.
Es ist wünschenswert, dass der weichmagnetische Werkstoff einen kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Martensit und γ-Fe enthält.
Es ist wünschenswert, dass das γ-Fe eine darin gebildete stickstoffhaltige Phase enthält.
Es ist wünschenswert, dass das γ-Fe einen stickstoffhaltigen kubisch-flächenzentrierten Kristall enthält.
Es ist wünschenswert, dass der Volumenbruchteil des stickstoffhaltigen kubisch-flächenzentrierten Kristalls 1 Volumenprozent oder mehr und niedriger als der Volumenbruchteil des kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Martensits ist.
Es ist wünschenswert, dass der Volumenbruchteil des stickstoffhaltigen kubisch-flächenzentrierten Kristalls 1 Volumenprozent oder mehr und 20 Volumenprozent oder weniger beträgt.
Es ist wünschenswert, dass der kohlenstoff- und stickstoffhaltige Martensit einen kubisch-raumzentrierten Kristall und einen tetragonal raumzentrierten Kristall enthält.
Es ist wünschenswert, dass der weichmagnetische Werkstoff eine mittlere Kohlenstoffkonzentration von 0,45 Massenprozent oder mehr und 1,12 Massenprozent oder weniger, und eine mittlere Stickstoffkonzentration von 0,4 Massenprozent oder mehr und 1,2 Massenprozent oder weniger aufweist.
Es ist wünschenswert, dass der weichmagnetische Werkstoff zudem Vanadium oder Niob enthält. Vanadium oder Niob ist ein Zusatzelement. Die Menge des Zusatzelements beträgt bevorzugt weniger als 1 Massenprozent, und bevorzugter weniger als 0,1 Massenprozent.
Das Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Werkstoffes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst Carburieren eines eisenbasierten Werkstoffes, der blechförmig oder folienförmig ist, mit einem Carburierungsgas, Dispergieren eines körnigen Carbids in α-Fe in dem eisenbasierten Werkstoff bei einer Temperatur, die gleich wie oder niedriger als eine eutektoide Temperatur ist, Umwandeln des α-Fe in γ-Fe bei einer Temperatur, die höher ist als die eutektoide Temperatur, Diffundieren von Stickstoff in das γ-Fe unter Verwendung eines Stickstoffzufuhrgases, um γ-Fe-N-C zu bilden, und schnelles Erwärmen und dann schnelles Abkühlen des γ-Fe-N-C, um das γ-Fe-N-C in einen Martensit umzuwandeln.
Es ist wünschenswert, dass der in dem Herstellungsverfahren verwendete eisenbasierte Werkstoff eine Dicke von 0,01 mm oder mehr und 1,00 mm oder wenige aufweist.
Es ist wünschenswert, dass der eisenbasierte Werkstoff als Ausgangsmaterial reines Eisen oder ein kohlenstoffarmer, niedriglegierter Stahl ist.
Es ist wünschenswert, dass das Carburierungsgas Acetylen ist.
Es ist wünschenswert, dass das Stickstoffzufuhrgas Ammoniak ist.
Es ist wünschenswert, dass das schnelle Abkühlen unter Verwendung von flüssigem Stickstoff durchgeführt wird.
Es ist wünschenswert, dass der eisenbasierte Werkstoff als Ausgangsmaterial Vanadium oder Niob enthält.
Der Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält einen Kern, eine Spule und einen Rotor, und der Kern enthält den weichmagnetischen Werkstoff.
Es ist wünschenswert, dass der Kern ein Schichtkörper des weichmagnetischen Werkstoffes ist.
[Beispiel 1]
Ein 0,1 mm dickes Eisenfolienstück als Ausgangsmaterial wird mit einer Heizrate von 10°C/min auf 950°C widerstandsgeheizt, was in dem Temperaturbereich der Bildung von Austenit (γ) liegt, und Acetylen (C₂H₂) wird auf gepulste Weise in eine Ar-Atmosphäre eingeleitet. Die Zufuhr von Acetylen wird nach 5 Minuten beendet, Diffusion wird für 5 Minuten durchgeführt, daraufhin wird für 3 Minuten Acetylen eingeleitet, Diffusion wird für 2 Minuten durchgeführt, und Acetylen wird für 1 Minute eingeleitet, um die Kohlenstoffkonzentration auf 0,55 Massenprozent oder mehr einzustellen, und dann wird die Eisenfolie unter Verwendung eines Ar-Gases auf 400°C abgekühlt.
Dann wird die Eisenfolie auf 700°C erwärmt, was gleich wie oder niedriger als die eutektoide Temperatur (Punkt A1) ist, und in diesem Zustand gehalten. Die Heizrate beträgt 10°C/min. Bei 700°C wird ein kornförmiges Carbid in Ferrit (einer α-Fe-Phase) dispergiert und vergrößert. Der Abstand zwischen den Carbid-Partikeln beträgt 0,2 µm. Der mittlere Durchmesser der Carbid-Partikel beträgt 0,2 µm.
Wie oben beschrieben, wird der Sorbit, das heißt, die Struktur, die das in α-Fe dispergierte kornförmige Carbid enthält, auf 750°C erwärmt, was eine höhere Temperatur ist als der Punkt A1. Das kornförmige Carbid ist hauptsächlich Fe₃C. Wenn der Sorbit auf 750°C, nahe dem Punkt A1, erwärmt und mit einem Stickstoffzufuhrgas wie NH₃ nitridiert wird, diffundiert und löst sich Stickstoff im γ-Fe, das aus der Umwandlung des α-Fe stammt. Die Stickstoffkonzentration in der Gasphase wird so eingestellt, dass das γ-Fe eine Stickstoffkonzentration von 0,45 Massenprozent aufweisen kann (Stickstoffdiffusionsbehandlung).
Nach dem Abschluss der Stickstoffdiffusionsbehandlung weist das Produkt eine Struktur auf, in der Fe₃C (oder M₃C) in der γ-Fe-N-Matrix dispergiert ist. Die Struktur dieses Zustands wird durch schnelles Erwärmen mit 100°C/Sekunde auf 950°C erwärmt, Nachdem die Struktur für 1 Sekunde bei 950°C gehalten wurde, wird die Struktur in flüssigem Stickstoff abgekühlt. Das Carbid zersetzt sich durch das schnelle Erwärmen zur γ-Fe-Phase. Dann wird γ-Fe-N-C durch das Abkühlen unter Verwendung von flüssigem Stickstoff in einen Martensit umgewandelt.
Der unter diesen Bedingungen hergestellte Fe-C-N-Folienwerkstoff ist als No. 1 in Tabelle 1 gezeigt.
Als Ergebnis der Messung mit einem Magnetometer mit vibrierender Probe bei 20°C ist die magnetische Sättigungsflussdichte 2,25 T, und die Koerzitivkraft ist 800 A/m. Die Volumenbruchteile von Phasen in der Phasenstruktur, berechnet aus dem Röntgenbeugungsmuster und EBSD (Elektronenrückstreuungsbeugung) betragen jeweils 80%, 10%, 10% und 0% für den krz-Martensit, den trz-Martensit, die stickstoffhaltige kfz-Phase und das kfz-Fe₄N.
2 zeigt eine Querschnittsstruktur der Folie No. 1.
In der Abbildung wird ein beinahe weißer Kontrast (eine weiße Region 21) beobachtet, und die Phase ist eine stickstoffhaltige kfz-Phase. Es wird angenommen, dass die schwarzen Partikel (eine schwarze Region 22) ein Carbonitrid sind. Eine graue Region 23 wird als eine trz-Phase oder eine krz-Phase angesehen.
3 zeigt ein Beispiel der Konzentrationsverteilung der Eisenfolie in deren Dickenrichtung, wenn die Eisenfolie eine mittlere Kohlenstoffkonzentration von 0,45 Massenprozent und eine mittlere Stickstoffkonzentration von 0,45 Massenprozent aufweist. Die Dicke der Eisenfolie beträgt 100 µm. Die horizontale Achse stellt den Abstand von einer Oberfläche der Eisenfolie dar, das heißt, den Abstand in der Dickenrichtung der Eisenfolie, und die vertikale Achse stellt die Konzentration dar.
Wie in dem Graph gezeigt, wird verstanden, dass die Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen in dem Bereich von der Oberfläche der Eisenfolie bis zu einer Tiefe von 20 µm und dem Bereich von der entgegengesetzten Oberfläche (Rückseite) der Eisenfolie bis zu einer Tiefe von 20 µm (Bereich von 100 bis 80 µm) hoch sind. Die Kohlenstoffkonzentration im Zentrum der Eisenfolie in der Dickenrichtung beträgt -0,1 Massenprozent bezogen auf die mittlere Kohlenstoffkonzentration, und die Kohlenstoffkonzentration in der Nähe der Oberfläche der Eisenfolie beträgt +0,05 Massenprozent bezogen auf die mittlere Kohlenstoffkonzentration. Zusätzlich beträgt die Stickstoffkonzentration im Zentrum der Eisenfolie in der Dickenrichtung -0,05 Massenprozent bezogen auf die mittlere Stickstoffkonzentration, und die Stickstoffkonzentration in der Nähe der Oberfläche der Eisenfolie beträgt +0,05 Massenprozent bezogen auf die mittlere Stickstoffkonzentration.
Hinsichtlich der Kohlenstoffkonzentration und Stickstoffkonzentration werden die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse dadurch erhalten, dass die Carburierungszeit und Diffusionszeit von Kohlenstoff sowie die Nitridierungszeit und Diffusionszeit von Stickstoff gesteuert werden.
Die stickstoffhaltige kfz-Phase in Tabelle 1 ist eine ferromagnetische Phase, die 0,05 Massenprozent oder mehr und 1,50 Massenprozent oder weniger Stickstoff enthält. Wenn die Stickstoffkonzentration weniger als 0,05 Massenprozent beträgt, ist die Phase bei 20°C nicht ferromagnetisch. Andererseits weist die Phase, wenn die Stickstoffkonzentration 1,5 Massenprozent übersteigt, eine Kristallstruktur und eine Gitterkonstante auf, die ähnlich denjenigen der Fe₄N-Phase sind.
Die magnetische Sättigungsflussdichte des krz-Martensits ändert sich aufgrund des Magnetvolumeneffekts, des Effekts des elektrischen Felds, der Effekte des Einbringens von Defekten wie Versetzung, einer Anordnung, die einen Defekt enthält, wie eines Stickstoff-Defekt-Kohlenstoffs, und von Änderungen der Raumladung, welche zu einem Effekt der Erhöhung der magnetischen Flussdichte führen. Die Versetzungsdichte beträgt 5 × 10¹⁶/m².
[Beispiel 2]
Ein 0,2 mm dickes Eisenfolienstück als Ausgangsmaterial enthält 0,05 Massenprozent Vanadium. Die Eisenfolie wird mit einer Heizrate von 10°C/min auf 950°C widerstandsgeheizt, was in dem Temperaturbereich der Bildung von Austenit (γ) liegt, und Acetylen (C₂H₂) wird auf gepulste Weise in eine Ar-Atmosphäre eingeleitet. Die Zufuhr von Acetylen wird nach 5 Minuten beendet, Diffusion wird für 5 Minuten durchgeführt, daraufhin wird für 3 Minuten Acetylen eingeleitet, Diffusion wird für 2 Minuten durchgeführt, und Acetylen wird für 1 Minute eingeleitet, um die Kohlenstoffkonzentration auf 0,75 Massenprozent einzustellen, und daraufhin wird die Eisenfolie unter Verwendung eines Ar-Gases auf 400°C abgekühlt. Dann wird die Eisenfolie auf 700°C erwärmt, was gleich wie oder niedriger als die eutektoide Temperatur (Punkt A1) ist, und in diesem Zustand gehalten. Die Heizrate beträgt 10°C/min. Bei 700°C wird ein kornförmiges Carbid in Ferrit (einer α-Fe-Phase) dispergiert und vergrößert. Der Abstand zwischen den Carbid-Partikeln beträgt 0,2 µm. Der mittlere Durchmesser der Carbid-Partikel beträgt 0,2 µm. Das Carbid enthält M₃C (M = Fe, V) und MC (M = Fe, V).
Wie oben beschrieben, wird der Sorbit, das heißt, die Struktur, die das in α-Fe dispergierte kornförmige Carbid enthält, auf 750°C erwärmt, was eine höhere Temperatur ist als der Punkt A1. Das kornförmige Carbid ist hauptsächlich M₃C (M = Fe, V) und MC (M = Fe, V). Wenn der Sorbit auf 750°C, nahe dem Punkt A1, erwärmt und mit einem Stickstoffzufuhrgas wie NH₃ nitridiert wird, diffundiert und löst sich Stickstoff im γ-Fe, das aus der Umwandlung des α-Fe stammt. Die Stickstoffkonzentration in der Gasphase wird so eingestellt, dass das γ-Fe eine Stickstoffkonzentration von 0,45 Massenprozent aufweisen kann. Nach dem Abschluss der Stickstoffdiffusionsbehandlung weist das Produkt eine Struktur auf, in der M₃C (M = Fe, V) und MC (M = Fe, V) in der γ-Fe-N-Matrix dispergiert sind. Die Struktur dieses Zustands wird durch schnelles Erwärmen mit 100°C/Sekunde auf 950°C erwärmt. Nachdem die Struktur für 1 Sekunde bei 950°C gehalten wurde, wird die Struktur in flüssigem Stickstoff abgekühlt. Das Carbid zersetzt sich durch das schnelle Erwärmen teilweise in die γ-Fe-Phase. Dann wird γ-Fe-N-C durch das Abkühlen unter Verwendung von flüssigem Stickstoff in einen Martensit umgewandelt.
Der unter diesen Bedingungen hergestellte Fe-C-N-Folienwerkstoff ist als No. 10 in Tabelle 1 gezeigt.
Als Ergebnis der Messung mit einem Magnetometer mit vibrierender Probe bei 20°C ist die magnetische Sättigungsflussdichte 2,45 T, und die Koerzitivkraft ist 1100 A/m. Die Volumenbruchteile von Phasen in der Phasenstruktur, berechnet aus dem Röntgenbeugungsmuster und EBSD betragen jeweils 65%, 15%, 15% und 5% für den krz-Martensit, den trz-Martensit, die stickstoffhaltige kfz-Phase und das kfz-Fe₄N.
Die magnetische Sättigungsflussdichte des krz-Martensits ändert sich aufgrund des Magnetvolumeneffekts, des Effekts des elektrischen Felds, der Effekte des Einbringens von Defekten wie Versetzung, einer Anordnung, die einen Defekt enthält, wie eines Stickstoff-Defekt-Kohlenstoffs, und von Änderungen der Raumladung, welche zu einem Effekt der Erhöhung der magnetischen Flussdichte führen. Die Versetzungsdichte beträgt 3 × 10¹⁶/m².
[Beispiel 3]
Ein 0,2 mm dickes Eisenfolienstück als Ausgangsmaterial enthält 0,02 Massenprozent Vanadium. Die Eisenfolie wird mit einer Heizrate von 10°C/min auf 1050°C widerstandsgeheizt, was in dem Temperaturbereich der Bildung von Austenit (γ) liegt, und Acetylen (C₂H₂) wird auf gepulste Weise in eine Ar-Atmosphäre eingeleitet. Die Zufuhr von Acetylen wird nach 7 Minuten beendet, Diffusion wird für 10 Minuten durchgeführt, Acetylen wird für 4 Minuten eingeleitet, Diffusion wird für 2 Minuten durchgeführt, und Acetylen wird für 5 Minuten eingeleitet, um die Kohlenstoffkonzentration auf 0,85 Massenprozent einzustellen, und daraufhin wird die Eisenfolie für 1 Stunde bei 1000°C gehalten. In diesem Fall lösen sich Vanadium und Kohlenstoff in dem Austenit.
Nachdem die Eisenfolie bei 1000°C gehalten wurde, wird die Eisenfolie unter Verwendung eines Ar-Gases auf 400°C abgekühlt. Dann wird die Eisenfolie auf 700°C erwärmt, was gleich wie oder niedriger als die eutektoide Temperatur (Punkt A1) ist, und gehalten. Die Heizrate beträgt 10°C/min. Bei 700°C wird ein kornförmiges Carbid in Ferrit (einer α-Fe-Phase) dispergiert und vergrößert. Der Abstand zwischen den Carbid-Partikeln beträgt 0,05 µm. Der mittlere Durchmesser der Carbid-Partikel beträgt 0,01 µm. Das Carbid enthält M₃C (M = Fe, V) und MC (M = Fe, V).
Wie oben beschrieben, wird der Sorbit, das heißt, die Struktur, die das in α-Fe dispergierte kornförmige Carbid enthält, auf 750°C erwärmt, was eine höhere Temperatur ist als der Punkt A1. Das kornförmige Carbid ist hauptsächlich M₃C (M = Fe, V) und MC (M = Fe, V). Wenn der Sorbit auf 750°C, nahe dem Punkt A1, erwärmt und mit einem Stickstoffzufuhrgas wie NH₃ nitridiert wird, diffundiert und löst sich Stickstoff im γ-Fe, das aus der Umwandlung des α-Fe stammt. Die Stickstoffkonzentration in der Gasphase wird so eingestellt, dass das γ-Fe eine Stickstoffkonzentration von 1,15 Massenprozent aufweisen kann. Nach dem Abschluss der Stickstoffdiffusionsbehandlung weist das Produkt eine Struktur auf, in der M₃C (M = Fe, V) und MC (M = Fe, V) in der γ-Fe-N-Matrix dispergiert ist. Die Struktur dieses Zustands wird durch schnelles Erwärmen mit 100°C/Sekunde auf 1100°C erwärmt. Nachdem die Struktur für 0,5 Sekunden bei 1100°C gehalten wurde, wird die Struktur unter Verwendung von flüssigem Stickstoff abgekühlt. Das Carbid zersetzt sich durch das schnelle Erwärmen teilweise zur γ-Fe-Phase, und γ-Fe-N-C wird durch das Abkühlen mit flüssigem Stickstoff in einen Martensit umgewandelt.
Der unter diesen Bedingungen hergestellte Fe-C-N-Folienwerkstoff ist als No. 15 in Tabelle 1 gezeigt.
Als Ergebnis der Messung mit einem Magnetometer mit vibrierender Probe bei 20°C ist die magnetische Sättigungsflussdichte 2,55 T, und die Koerzitivkraft ist 980 A/m. Die Volumenbruchteile von Phasen in der Phasenstruktur, berechnet aus dem Röntgenbeugungsmuster und EBSD, betragen jeweils 65%, 25%, 10% und 5% für den krz-Martensit, den trz-Martensit, die stickstoffhaltige kfz-Phase und das kfz-Fe₄N.
Die magnetische Sättigungsflussdichte des krz-Martensits ändert sich aufgrund des Magnetvolumeneffekts, des Effekts des elektrischen Felds, der Effekte des Einbringens von Defekten wie Versetzung, einer Anordnung, die einen Defekt enthält, wie eines Stickstoff-Defekt-Kohlenstoffs, und von Änderungen der Raumladung, welche zu einem Effekt der Erhöhung der magnetischen Flussdichte führen. Die Versetzungsdichte beträgt 1 × 10¹⁶/m². In dem Fall, worin Kohlenstoff- oder Stickstoffatome nahe der Versetzung gefangen sind, und die Abkühlrate während des letzten Abschreckens niedrig ist oder Ölabschrecken bei 60°C durchgeführt wird, ist es unwahrscheinlich, dass der trz-Matensit erzeugt wird. Abschrecken in flüssigem Stickstoff ist wünschenswert, um den Anteil an Kohlenstoffatomen und Stickstoffatomen zu erhöhen, die in der Einlagerungslücke von Eisen angeordnet sind, und eine Dicke von 0,3 mm oder weniger ist wünschenswert, um die Abkühlrate beim Abschrecken sicherzustellen.
[Beispiel 4]
4 zeigt eine Anlage zur Herstellung des weichmagnetischen Werkstoffes des Beispiels.
Wie in der Zeichnung gezeigt, enthält die vorliegende Produktionsanlage Walzrollen 2 und 5, Hochfrequenzspulen 3 und 4, und Heizöfen 6 und 7. Ein Beispiel eines Eisenblechs 1 als Ausgangsmaterial ist ein Blech aus reinem Eisen mit einer Reinheit von 99,9% und einer Dicke von 0,5 mm.
Das Eisenblech 1 wird durch die Walzrollen 2 zu einer Dicke von 0,2 mm gewalzt. Das gewalzte Eisenblech 1 wird durch die Hochfrequenzspule 3 erwärmt und durchläuft kontinuierlich eine Atmosphäre, in der ein Acetylengas auf gepulste Weise eingeleitet wird. Die Heiztemperatur beträgt 950°C. Die Carburierungs- und Diffusionszeit beträgt 1 Minute. Die Kohlenstoffkonzentration erreicht durch die Behandlung 0,7 Massenprozent.
Nach der Carburierung wird das Eisenblech 1 durch ein Stickstoffgas (N₂) auf 700°C oder weniger abgekühlt. Dann wird das Eisenblech 1 durch die Walzrollen 5 weiter zu einer Dicke von 0,1 mm gewalzt, was Defekte einbringen und eine Faserstruktur bilden soll. Aufgrund der Abkühlung entsteht innerhalb des Eisenblechs 1 kornförmiger Zementit. Die Versetzungsdichte liegt daraufhin bei einer Größenordnung von 10¹⁶/m².
Nach dem Walzen wird mittels eines Ammoniakgases Stickstoff in das Eisenblech 1 eingebracht, während es durch die Hochfrequenzspule 4 auf 750°C erwärmt wird. Die Stickstoffkonzentration beträgt etwa 0,6 Massenprozent. Die Nitridierungsrate wird durch die Einführung der Versetzung erhöht, und es ist möglich, die Zeit auf etwa 1/10 derjenigen ohne Walzen zu verringern.
Das Eisenblech 1 wird durch die Heizöfen 6 und 7, wie eine digitale Infrarot-Temperatursteuerung, auf eine Verfeinerungs- und Abschrecktemperatur erwärmt und dann abgeschreckt. Es ist wünschenswert, dass das Abschreckmedium flüssiger Stickstoff ist.
Beispiele der vorliegenden Erfindung und das Vergleichsbeispiel sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Wie in der Tabelle gezeigt, weisen No. 1 bis No. 20 aus den Beispielen eine stickstoffhaltige kfz-Phase auf (γ-Fe: y-Phase). Andererseits weisen No. 21 und No. 22 aus dem Vergleichsbeispiel keine stickstoffhaltige kfz-Phase auf. Im Vergleichsbeispiel weist No. 21 eine niedrige mittlere Stickstoffkonzentration von 0,1 Massenprozent auf. No. 22 aus dem Vergleichsbeispiel ist reines Eisen.

Sowohl in den Beispielen als auch dem Vergleichsbeispiel beträgt die magnetische Sättigungsflussdichte Bs 2 T oder mehr. In den Beispielen ist der trz-Martensit stabilisiert und die Wärmebeständigkeit (thermische Stabilität) erreicht ein erwünschtes Niveau, weil die Beispiele γ-Fe enthalten. [Tabelle 1]

	No.	Magnetische Sättigungsflussdichte Bs (T)	Koerzitiv-Kraft (A/m)	Phasenstruktur (Vol.-%)				Kohlenstoff- und Stickstoff-Konzentrationen (Massen-%)		ZusatzElement (Massen%)
	No.	Magnetische Sättigungsflussdichte Bs (T)	Koerzitiv-Kraft (A/m)	krz-Martensit	trz-Martensit	Stickstoffhaltige kfz-Phase	kfz (Fe₄N)	Mittlere KohlenstoffKonzentration	Mittlere StickstoffKonzentration	ZusatzElement (Massen%)
Beispiel 1	1	2,25	800	80	10	10	0	0,55	0,45	Nein
	2	2,3	800	70	20	5	5	0,57	0,4	Nein
	3	2,2	950	65	12	1	2	0,52	0,45	Nein
	4	2,3	850	65	25	5	5	0,45	0,55	Nein
	5	2,35	840	60	25	10	5	0,51	0,62	Nein
	6	2,4	1050	65	20	10	5	0,75	0,68	Nein
	7	2,4	1100	60	15	15	5	0,82	0,67	Nein
	8	2,4	1200	71	9	15	5	0,55	0,52	Nein
	9	2,1	1500	79	15	1	5	0,86	0,53	Nein
Beispiel 2	10	2,45	1100	65	15	15	5	0,75	0,82	V(0,05)
	11	2,45	950	70	10	17	3	0,77	0,85	Nb(0,03)
	12	2,1	1250	70	25	2	3	0, 95	0,24	Nein
	13	2,5	920	80	10	5	5	0,92	0,85	Nein
	14	2,5	900	70	15	12	3	0, 97	1,05	Nein
Beispiel 3	15	2,55	980	60	25	10	5	0,85	1,15	V(0,02)
	16	2,55	1500	55	35	10	5	0, 95	0, 92	V(0,02)
	17	2,6	1200	30	60	6	4	1,12	0, 95	Nein
	18	2,7	1300	15	75	5	5	1,05	1,02	Nein
	19	2,8	1500	10	80	5	3	1,05	1,2	Nein
	20	2,4	1600	8	90	1	1	1,03	0,85	Nein
VergleichsBeispiel	21	2	1900	9	90	0	1	1,03	0,1	Nein
VergleichsBeispiel	22	2,15	1000	100	0	0	0	0	0	Nein

5 zeigt die Stickstoffkonzentrationsabhängigkeit der magnetischen Sättigungsflussdichte Bs auf der Grundlage der Daten in Tabelle 1. Die horizontale Achse stellt die mittlere Stickstoffkonzentration dar, und die vertikale Achse stellt Bs dar. Schwarze Kreise stellen die Beispiele dar, und offene Kreise stellen das Vergleichsbeispiel dar.
Wie in dem Graph gezeigt, steigt Bs im Wesentlichen proportional zur mittleren Stickstoffkonzentration an.
6 zeigt einen Querschnitt des Elektromotors des Beispiels.
In der Zeichnung enthält ein Elektromotor 100 einen Kern 17 (Eisenkern), der Zähne 12 und Rückjoch 13 enthält, Spulen 14 und einen Rotor 16. Seltenerdmagnete 11a und 11b mit niedrigem Verlust sind auf einer Oberfläche des Rotors 16 angeordnet. Die Zähne 12 und das Rückjoch 13 sind gebildet durch Aufeinanderschichten von Stücken einer Folie aus Eisen - 1 Massenprozent Kohlenstoff - 1 Massenprozent Stickstoff. Der Kern 17 kann durch Vorbereiten von Folienstücken mit einer Form, in der die Zähne 12 und das Rückjoch 13 miteinander verbunden sind, und Aufeinanderschichten der Folienstücke hergestellt werden. Alternativ kann der Kern 17 dadurch hergestellt werden, dass die Zähne 12 und das Rückjoch 13 getrennt voneinander durch Aufeinanderschichten von Folienstücken hergestellt werden, und die erhaltenen Schichtkörper kombiniert werden.
Der Folienwerkstoff weist eine magnetische Sättigungsflussdichte von 2,7 T auf, und der Schichtkörper weist eine magnetische Sättigungsflussdichte von 2,6 T auf. Die Seltenerdmagneten 11a und 11b mit niedrigem Verlust erzeugen magnetischen Fluss 15 in einem Magnetweg des Kerns 17, und ein Drehmoment wird durch die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss 15 und dem Strom, der durch die Spulen 14 fließt.
Da der Folienwerkstoff eine magnetische Sättigungsflussdichte von 2,7 T aufweist, ist das Auftreten magnetischer Sättigung unwahrscheinlich, und die Verringerung von Wirbelstromverlust aufgrund des Schichtaufbaus beseitigt die Notwendigkeit der Abschwächung des Magnetfeldes des Magneten. Daher ist es möglich, den Verlust auch bei hoher Drehmomentdichte zu verringern, und die Leistungsfähigkeit auch bei einer hohen Drehmomentdichte zu verbessern.
Bezugszeichenliste

1: Eisenblech
2, 5: Walzrolle
3, 4: Hochfrequenzspule
6, 7: Heizofen
11a, 11b: Seltenerdmagnet mit niedrigem Verlust
12: Zähne
13: Rückjoch
14: Spule
16: Rotor
17: Kern
21: weiße Region
22: schwarze Region
23: graue Region
100: Elektromotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015507354 A [0007]
JP 2017530547 A [0007]
JP 2007046074 A [0007]
JP 2001176715 A [0007]

Claims

Weichmagnetischer Werkstoff, der blechförmig oder folienförmig ist und der eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, wobei der weichmagnetische Werkstoff umfasst: Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff; und einen kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Martensit und γ-Fe, wobei das γ-Fe eine darin gebildete stickstoffhaltige Phase enthält.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 1, wobei das γ-Fe einen stickstoffhaltigen kubisch-flächenzentrierten Kristall enthält.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 2, wobei ein Volumenbruchteil des kubisch-flächenzentrierten Kristalls 1 Volumenprozent oder mehr und niedriger als ein Volumenbruchteil des Martensits ist.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 3, wobei der Volumenbruchteil des kubisch-flächenzentrierten Kristalls 1 Volumenprozent oder mehr und 20 Volumenprozent oder weniger ist.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 1, wobei der Martensit einen kubisch-raumzentrierten Kristall und einen tetragonal raumzentrierten Kristall enthält.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 1, der eine mittlere Kohlenstoffkonzentration von 0,45 Massenprozent oder mehr und 1,12 Massenprozent oder weniger, und eine mittlere Stickstoffkonzentration von 0,4 Massenprozent oder mehr und 1,2 Massenprozent oder weniger aufweist.
Weichmagnetischer Werkstoff nach Anspruch 1, der zudem Vanadium oder Niob umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Werkstoffes, wobei das Verfahren umfasst: Erwärmen eines eisenbasierten Materials, das blechförmig oder folienförmig ist; Carburieren des eisenbasierten Werkstoffes mit einem Carburierungsgas; Dispergieren eines kornförmigen Carbids in α-Fe in dem eisenbasierten Werkstoff bei einer Temperatur, die gleich wie oder niedriger als eine eutektoide Temperatur ist; Umwandeln des α-Fe in γ-Fe bei einer Temperatur, die höher ist als die eutektoide Temperatur; Diffundieren von Stickstoff in das γ-Fe unter Verwendung eines Stickstoffzufuhrgases, um γ-Fe-N-C zu bilden; und schnelles Erwärmen und dann schnelles Abkühlen des γ-Fe-N-C, um das γ-Fe-N-C in einen Martensit umzuwandeln.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei der eisenbasierte Werkstoff eine Dicke von 0,01 mm oder mehr und 1,00 mm oder weniger aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei der eisenbasierte Werkstoff reines Eisen oder ein kohlenstoffarmer, niedriglegierter Stahl ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei das Carburierungsgas Acetylen ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei das Stickstoffzufuhrgas Ammoniak ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei das schnelle Abkühlen unter Verwendung von flüssigem Stickstoff durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei der weichmagnetische Werkstoff, der den darin gebildeten Martensit enthält, eine mittlere Kohlenstoffkonzentration von 0,45 Massenprozent oder mehr und 1,12 Massenprozent oder weniger und eine mittlere Stickstoffkonzentration von 0,4 Massenprozent oder mehr und 1,2 Massenprozent oder weniger aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei der eisenbasierte Werkstoff Vanadium oder Niob enthält.
Elektromotor, welcher umfasst: einen Kern; eine Spule; und einen Rotor, wobei der Kern den weichmagnetischen Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.
Elektromotor nach Anspruch 16, wobei der Kern ein Schichtkörper des weichmagnetischen Werkstoffes ist.